灌溉后不同處理方式對土壤水分蒸發(fā)過程的影響

張興娟， 王志敏， 郭文忠， 李 亮， 李 寧， 薛緒掌

(1.國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心， 北京 100097； 2.中國農業(yè)大學， 北京 100193)

華北平原是中國最大的平原之一，區(qū)內光照充足，熱量資源豐富，土地平整，土壤肥沃，實行一年兩熟的耕作制度，歷來是中國最主要的糧食產區(qū)之一。但水資源不足,分配不均正日益成為限制該區(qū)農業(yè)生產潛力發(fā)揮的主要障礙因素。因此，發(fā)展節(jié)水農業(yè)勢在必行。土壤—植被—大氣(SPAC)理論的深入研究是節(jié)水農業(yè)發(fā)展的重要理論基礎。在SPAC系統(tǒng)中，土壤水分除經過作物蒸騰散失外，土壤表面水分蒸發(fā)也是土壤水轉移的一個重要途徑[1]。因此，降低土壤表面水分蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率是發(fā)展節(jié)水農業(yè)，高效利用水資源的一項重要舉措。要減少土壤蒸發(fā)失水，一是改變影響土壤表面蒸發(fā)的大氣條件，從而降低土壤水分蒸發(fā)速度；二是改善土壤結構，增強土壤自身的持水能力[2]。本試驗從以上兩方面入手對灌溉后的農田進行不同處理，利用蒸滲儀系統(tǒng)對土壤水分變化進行連續(xù)監(jiān)測，進而對土壤水分蒸發(fā)過程及有效降低農田土壤表面水分蒸發(fā)方法進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與設計

試驗在北京市昌平區(qū)國家精準農業(yè)試驗基地進行，地理位置為北緯40.17°，東經116.39°。試驗利用24套小型稱重式蒸滲儀系統(tǒng)進行，每個蒸滲儀地上部分土地表面積為0.75 m2，土層深度為2 m。試驗前耕層土壤容重為1.39 g/cm3，全N含量為86.2 g/kg，速效P含量為21.5 mg/kg，速效K含量為83.5 mg/kg。

試驗中每套蒸滲儀均配置美國進口杠桿式稱重系統(tǒng)，采用平衡塊抵消土箱和土重，使用重量傳感器每隔5 min對土體重量進行一次測定，在整個試驗運行期間連續(xù)記錄土體內水分變化的詳細過程。測定耗水量的誤差為1～2 mm，測量的靈敏度為0.05～0.1 mm。計算機自動控制采集數(shù)據(jù)，負壓采集系統(tǒng)自動采集滲漏液。田間配備氣象站，采集空氣溫濕度、光照、風速、降雨量等數(shù)據(jù)。

為研究灌溉后不同耕作措施在短期內對土壤水分蒸發(fā)的影響以及不同處理條件下土壤水分變化的詳細過程，試驗設置5個處理，1個對照，分別為高留茬、秸稈覆蓋、灌溉后第1 d松土、灌溉后第2 d松土、灌溉后第3 d松土、灌溉后不處理，每個處理設4個重復。具體操作是小麥收獲時隨機留出4個小區(qū)，剪掉麥穗留下秸稈作為高留茬，其余20個小區(qū)正常收獲后每個小區(qū)灌水約30 kg，再從中隨機選取4個小區(qū)分別蓋上等量的秸稈。然后分別在灌溉后第1～3 d每天隨機選取4個小區(qū)松土，最后剩余的4個小區(qū)不進行處理，作為對照。

1.2 試驗期間氣象條件

試驗時間為2012年6月3日至2012年6月11日，期間對試驗地氣象條件包括溫度、濕度、風速和曝輻量等指標進行持續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測結果顯示，除6月4日氣溫較低，空氣濕度較高外，其他時段內氣溫及濕度變化均較平穩(wěn)；6月6日和9日風速較低，空氣流動較慢，10日與11日短時內出現(xiàn)大風，其他時段內較平穩(wěn)；曝輻量變化一直較平穩(wěn)。

同時，為避免降雨、相鄰地塊灌溉等因素對試驗造成影響，降雨時在試驗地上方約兩米處打開遮雨棚，相鄰地塊灌溉時在試驗地邊界設置阻隔，防止外界水分進入。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft excel 2007對數(shù)據(jù)進行處理，采用SAS 9.2進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 總蒸發(fā)量變化

由表1可以看出，試驗期間，秸稈覆蓋和灌溉后第3 d松土的處理土壤總蒸發(fā)量顯著低于其他處理，高留茬、灌溉后第1 d和灌溉后第2 d松土的處理土壤總蒸發(fā)量與對照無顯著差異。

表1 灌溉后不同處理條件下的總蒸發(fā)量

2.2 蒸散過程變化

圖1為不同處理條件下，土體水分蒸發(fā)量的變化過程。由于處理完成后，試驗小區(qū)內沒有外界水分的介入，地表也沒有作物覆蓋，土體水分損失可完全看作是土壤蒸發(fā)造成的。由圖1看出，整體上，灌溉后各處理前期蒸發(fā)迅速，蒸發(fā)量迅速上升，后期均變緩。白天和夜間蒸發(fā)速率差距明顯，白天蒸發(fā)迅速，夜間蒸發(fā)相當緩慢。對于不同處理，灌溉后第1 d松土與第2 d松土的蒸發(fā)過程與對照(灌溉后不處理)基本吻合，但灌溉后第1 d松土的處理在灌溉后約2 d的時間內蒸發(fā)速率比對照稍快。高留茬處理的蒸發(fā)量變化趨勢為前期相對緩慢，第7 d迅速上升之后與對照基本吻合。秸稈覆蓋處理前期蒸發(fā)較對照慢，后期較對照快，整個試驗期間蒸發(fā)速率前后差距比對照小，整體蒸發(fā)量也明顯較對照低。灌溉后第3 d松土的處理前期蒸發(fā)速率和對照無明顯差距，后期蒸發(fā)越來越緩慢，與對照間的差距也隨時間延長越來越明顯。最終，秸稈覆蓋與灌溉后第3 d松土的處理總蒸發(fā)量明顯較對照低。其他處理和對照間差距不大。

圖1 不同處理條件下的土壤水分蒸發(fā)過程

2.3 蒸發(fā)速率變化

2.3.1 不同處理條件下土壤水分蒸發(fā)速率變化 由圖2可知，6月2日至5日間土壤蒸發(fā)強烈，秸稈覆蓋及高留茬在這一時期日蒸發(fā)速率顯著低于其他處理，抑制土壤水分蒸發(fā)作用明顯，而在6月6日以后這兩種處理方式對水分蒸發(fā)速率的影響減小，說明秸稈覆蓋及高留茬抑制水分蒸發(fā)的作用主要表現(xiàn)在灌溉后的較短時間內。松土對6月6日以后的水分蒸發(fā)速率有重要影響，且因處理時間的不同而表現(xiàn)出很大的差異。灌溉后第1,2 d松土的處理在試驗后期的日蒸發(fā)速率最大值比對照高，而灌溉后第3 d松土的處理日蒸發(fā)速率最大值明顯低于對照。

圖2 不同處理條件下的蒸發(fā)速度變化

2.3.2 秸稈覆蓋及高留茬對土壤日蒸發(fā)速率最大值出現(xiàn)時間的影響 試驗前期土壤含水量較高，蒸發(fā)過程主要受外界氣象條件如溫度、濕度及風速等因素的影響。

為探究覆蓋條件與無覆蓋條件下土壤蒸發(fā)過程的差異，對6月5日秸稈覆蓋與高留茬處理的蒸發(fā)速率變化過程與對照進行比較。由圖3可知，天氣晴朗條件下日蒸發(fā)強度在10:30左右即達最大值，提前于曝輻量最大值出現(xiàn)時間，秸稈覆蓋和高留茬處理使其出現(xiàn)時間推遲。

圖3 不同處理條件下土壤日蒸發(fā)速率變化

2.4 日蒸發(fā)量變化

以每天6:00—18：00的蒸發(fā)量變化為日蒸發(fā)量，繪制試驗期間不同處理條件下日蒸發(fā)量的變化圖(圖4)。由圖4看出，正常條件即灌溉后不處理的條件下，前期蒸發(fā)迅速，后期逐漸變緩，而且灌溉后第2 d蒸發(fā)最快，第4 d開始變得很慢。和其他處理相比，秸稈覆蓋處理前期日蒸發(fā)量最低，后期較高，前期與后期日蒸發(fā)量的差距小。高留茬處理前期蒸發(fā)較慢，6月7日蒸發(fā)量較其他處理高，且不同時期的日蒸發(fā)量差距較大。高留茬和秸稈覆蓋處理日蒸發(fā)量最大值出現(xiàn)的時間也較其他處理稍晚。灌溉后第1 d松土的處理前期日蒸發(fā)量較對照低，后期比對照稍高。灌溉后第2 d松土的處理整個過程中日蒸發(fā)量稍高于對照。灌溉后第3 d松土的處理，前期日蒸發(fā)量比對照稍低，比其他處理高，后期日蒸發(fā)量最低。

圖4 不同處理條件下的日蒸發(fā)量變化

3 討 論

土壤水分蒸發(fā)是土壤水分向大氣運動轉化的重要形式。此過程受外界氣象條件如太陽輻射、氣溫、地溫、濕度、風速、降水及其入滲方式等和土壤狀況如土壤含水量、地表特性、土壤中毛管的輸送能力等土壤內在因素的影響。王政友[3]研究表明， 初始期土壤完全飽和，土壤表層的蒸發(fā)消耗得到充分補給，此時土壤蒸發(fā)只受氣象條件的影響。當土壤表層干化時，土壤蒸發(fā)主要受土壤因素的影響。該試驗期間大氣狀況和土壤含水量是影響土壤蒸發(fā)的主要因素。

本試驗中秸稈覆蓋和高留茬對抑制土壤水分蒸發(fā)作用的研究表明，與其他處理相比秸稈覆蓋的處理前期蒸發(fā)慢，后期較快，前期與后期的蒸發(fā)速率差距??；高留茬小區(qū)前期蒸發(fā)相對緩慢，第7 d迅速上升之后與對照基本吻合。分析認為，試驗前期蒸發(fā)速率大，小區(qū)蒸發(fā)處于毛細管運行階段，地表蒸發(fā)強烈。此時進行秸稈覆蓋能阻隔土壤表層與大氣間的氣體流動，顯著降低土壤水分蒸發(fā)。高留茬也能降低地表溫度[4-5]，部分地減弱土壤表層與大氣間的空氣流動，降低土壤表層水分蒸發(fā)，但效果不如秸稈覆蓋明顯。同時，已有研究表明[6]，秸稈覆蓋還能顯著降低土壤容重，使土壤孔隙度增加，提高灌溉時水分的入滲量，抑制水分蒸發(fā)。秸稈覆蓋對光輻射吸收轉化和熱量傳導均有影響[7-10]，可在地表形成一層土壤與大氣熱交換的障礙層，既可阻止太陽直接輻射，也可減少土壤熱量向大氣中散發(fā)，同時還可有效地反射長波輻射。沈裕琥等[11]研究也表明秸稈覆蓋下土壤溫度年、日變化均趨緩和，低溫時有“增溫效應”，高溫時又有“低溫效應”[5，12]。因此，秸稈覆蓋處理后期蒸發(fā)較其他處理快。

已往研究也表明[13-14]，秸稈覆蓋下作物生育前期蒸散耗水比裸地少，中后期蒸散耗水比裸地多。而高留茬處理的總蒸發(fā)量在6月7日迅速上升后，變化趨勢和對照無明顯差異，最終的總蒸發(fā)量也和對照基本相同，這與以往的研究結果[5，12]即留茬對土壤蒸發(fā)有明顯抑制作用的說法不一致，可能是由于前期蒸發(fā)進程的減慢，使得6月7日秸稈覆蓋和高留茬處理的土壤含水量比其他處理高，更易受氣候條件的影響，在6月7日這樣的大風以及空氣濕度較低的條件下日蒸發(fā)量就會迅速上升，特別是高留茬的小區(qū)還有部分地表裸露。因此，高留茬在灌溉后的較短時期內，特別是大風、干燥氣候條件下不一定會降低土壤的總蒸發(fā)量。

本試驗在灌溉后不同時間分別進行松土以探討松土對土壤蒸發(fā)過程的影響，結果表明灌溉后第1,2 d松土不能抑制土壤水分蒸發(fā)，而灌溉后第3 d松土抑制土壤水分蒸發(fā)作用顯著。松土的作用主要是切斷土壤表層與下層間的毛管聯(lián)系，阻斷下層水分的毛管上升，而在灌溉后1,2 d內土壤水分接近飽和，這一階段土壤表層3—5 cm的含水量對蒸發(fā)起決定性作用，下層影響小。因此灌溉后第1,2 d松土在這一階段不能起到顯著的抑制土壤蒸發(fā)的作用。灌溉后第3 d表層土壤水分降低，下層水分通過毛細管不斷向地表運行，為地表蒸發(fā)提供水分來源，此時松土能有效切斷下層土壤水分向土壤表層的運行從而減弱土壤水分蒸發(fā)。因此，灌溉后第3 d松土對降低土壤水分蒸發(fā)的作用隨試驗進行越來越明顯。松土對于土壤水分蒸發(fā)的影響已有研究[2]，但對于灌溉后不同時期松土對土壤水分蒸發(fā)影響的研究還很少見，此研究對這一問題進行了初步探索，表明灌溉后土壤水分達到特定程度時松土能夠對土壤水分蒸發(fā)起到很好的抑制作用，而松土時機不適宜抑制土壤水蒸發(fā)的效果將顯著下降。這一研究結果為指導農業(yè)適時松土，減少土壤水分無用消耗提供了理論依據(jù)。對于達到最佳松土時機時的土壤含水量還有待進一步研究確定。

天氣晴朗條件下日蒸發(fā)強度在10:30左右即達最大值，提前于曝輻量最大值出現(xiàn)時間，秸稈覆蓋和高留茬處理使其出現(xiàn)時間推遲。分析認為，由于白天秸稈對太陽輻射的反射造成地表溫度較正常情況下低，蒸發(fā)減慢，造成日蒸發(fā)強度最大值出現(xiàn)滯后。

4 結 論

(1)秸稈覆蓋和高留茬對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用主要表現(xiàn)在灌溉后土壤含水量較高的階段內。

(2)天氣晴朗條件下日蒸發(fā)強度在10:30左右即達最大值，提前于曝輻量最大值出現(xiàn)時間，秸稈覆蓋和高留茬處理使其出現(xiàn)時間推遲。

(3)土壤含水量較高時松土對土壤水分蒸發(fā)無抑制作用，而在土壤含水量降低到一定程度時松土能明顯抑制土壤水分蒸發(fā)。

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